Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 29 (всего у книги 52 страниц)
Магнитный резонанс
Первые успешные эксперименты РїРѕ обнаружению магнитного резонанса РІ веществе Р·Р° счет электромагнитных эффектов были выполнены независимо Р¤. Блохом РІ Стэнфорде, Р•. Рњ. Парселлом РІ Гарварде (РЎРЁРђ) Рё Р•. Рљ. Завойским РІ РЎРЎРЎР . Р’ этих экспериментах наблюдалась переориентация магнитных моментов ядер или электронов РІ твердых телах РїСЂРё взаимодействии СЃ электромагнитной волной. Рта методика получила название магнитного резонанса.
Чтобы наблюдать этот эффект нужны РґРІР° магнитных поля: РѕРґРЅРѕ постоянное поле для получения энергетических состояний, Р° РґСЂСѓРіРѕРµ осциллирующее поле, которое наводит переходы между этими состояниями. Таким образом, РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ поглощение или испускание излучения, которое РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёС‚ изменение распределения энергии РїРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЏРј. Рто явление, РІ некотором смысле, аналогично переходам электронов между РёС… орбитами, РІ результате которых получаются спектры РІ РІРёРґРёРјРѕР№, инфракрасной Рё ультрафиолетовой областях спектра, наблюдаемых РІ атомах. РќРѕ РѕРЅРѕ значительно сложнее. Р’ случае спектров атомов СѓСЂРѕРІРЅРё, между которыми РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ переходы, уже существуют, поскольку это энергетические СѓСЂРѕРІРЅСЏ электронов РІ атоме. Р’ магнитном случае нужно сначала образовать энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё СЃ помощью некоторого внешнего поля, Р° СѓР¶ затем можно изучать переходы.
Блох и Парселл получили за свои исследования Нобелевскую премию в 1952 г. Они пришли к магнитному резонансу двумя разными путями, которые, однако, были, по существу, сходными. Завойский был первым, кто наблюдал переходы между уровнями тонкой структуры основного состояния в парамагнитных солях (парамагнитный электронный резонанс).
Феликс Блох родился РІ Цюрихе, 3 октября 1905 Рі. РћРЅ поступил РІ Федеральный институт технологии (учебное заведение, РІ котором учился Рйнштейн) РІ 1924 Рі. После РѕРґРЅРѕРіРѕ РіРѕРґР° обучения РЅР° инженера РѕРЅ решил вместо этого изучать физику Рё перевелся РЅР° отделение физики Рё математики того же института. Р’ течение последующих лет РѕРЅ занимался РїРѕРґ руководством профессоров: Рџ. Дебая (18841966), Р“. Вейля (18851955) Рё Р. Шрёдингера. Первоначально интересовался теоретической физикой. После того, как Шрёдингер оставил Цюрих осенью 1927 Рі., РѕРЅ продолжил СЃРІРѕРё занятия СЃ Р’. Гейзенбергом РІ университете Лейпцига, РіРґРµ летом 1928 Рі. получил докторскую степень. Его диссертация была посвящена квантовой механике электронов РІ кристаллах Рё теории проводимости РІ металлах, РІ которой РѕРЅ установил теоретическую РѕСЃРЅРѕРІСѓ для современного рассмотрения электронов РІ твердых телах РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ Р·РѕРЅРЅРѕР№ теории. Впоследствии РѕРЅ работал СЃ Паули, Крамерсом, Гейзенбергом, Бором Рё Ферми.
Блох РїРѕРєРёРЅСѓР» Германию РІ 1933 Рі. после РїСЂРёС…РѕРґР° Гитлера Рє власти. Годом позже РѕРЅ получил позицию РІ Стэнфордском университете (Калифорния, РЎРЁРђ). Там РѕРЅ начал экспериментальные исследования, которые РїСЂРѕРІРѕРґРёР» вплоть РґРѕ своей отставки РІ 1971 Рі. Р’ 1936 Рі. РѕРЅ опубликовал работу, РІ которой показал, что магнитный момент свободных нейтронов можно измерить путем наблюдения рассеяния РёС… РЅР° железе. Р’ течение РІРѕР№РЅС‹ РѕРЅ был привлечен РЅР° ранних стадиях работы РІ атомном проекте РІ Стэнфордском университете Рё РІ Лос-Аламосе, Р° позднее участвовал РІ работах РїРѕ противодействию радарам РІ Гарвардском университете. Благодаря этой последней работе РѕРЅ познакомился СЃ самыми современными достижениями РІ электронике. Рто, РІ сочетании СЃ его ранней работой РїРѕ магнитному моменту нейтрона, позволило ему предложить новый РїРѕРґС…РѕРґ Рє исследованию ядерных моментов РІ твердых телах. Немедленно после возвращения РІ Стэнфорд РѕРЅ начал изучать ядерную индукцию, как позднее назвал ее.
Блох также занимал важные научные посты. В 1954 г. он стал первым директором ЦЕРНа в Женеве. Он скончался в Цюрихе 10 сентября 1983 г.
Рдвард Миле Парселл родился РІ штате Р�ллинойс (РЎРЁРђ) 30 августа 1912 Рі. Р’ 1929 Рі. РѕРЅ поступил РІ университет РџСѓСЂРґСѓ штата Р�ндиана, который закончил РІ 1933 Рі. РїРѕ специальности радиоинженера. Его интересы уже обратились Рє физике Рё выдающийся профессор Ларк-Горовиц, которому РІРѕ РјРЅРѕРіРѕРј обязана физика твердого тела РІ РЎРЁРђ, позволил ему принимать участия РІ экспериментальных исследованиях РїРѕ дифракции электронов. После РіРѕРґР°, проведенного РІ Германии РІ Высшей технической школе РІ Карлсруе, РіРґРµ РѕРЅ занимался РїРѕРґ руководством профессора Р’. Вейзеля, поступил РІ Гарвардский университет, РіРґРµ Рё получил докторскую степень. После работы РІ течение РґРІСѓС… лет преподавателем физики РІ Гарварде поступил РІ Лабораторию излучения РІ MIT, которая была организована для проведения военных исследований Рё разработок микроволновых радаров. Р’ этой лаборатории РѕРЅ стал руководителем Группы фундаментальных исследований, которая занималась освоением новых диапазонов частот Рё разработкой новых микроволновых устройств. Открытие ядерного резонансного поглощения, как РѕРЅ его назвал, было сделано сразу же после окончания РІРѕР№РЅС‹ Рё примерно РІ то время, РєРѕРіРґР° Парселл возвратился РІ Гарвард РЅР° должность доцента физики. РћРЅ стал профессором физики РІ 1949 Рі. Рё скончался РІ 1997 Рі.
Евгений Константинович Завойский родился в Казани в семье врача. Учился и работал в Казанском университете. Почти со своих студенческих лет он интересовался возможностью использовать радиочастотные электромагнитные поля для изучения строения и свойств вещества. С начала 1933 г. выполнял исследовательские эксперименты по резонансному поглощению радиочастотного излучения в жидкостях и газах. В 1941 г. он стал первым, кто использовал модуляцию постоянного магнитного поля на звуковых частотах в таких экспериментах. В 1944 г. им открыт электронный парамагнитный резонанс, что и стало предметом его докторской диссертации.
Р’ течение 19451947 РіРі. РѕРЅ выполнил серию важных экспериментов, зарегистрировав кривые дисперсии РІ диапазоне резонанса Рё получив электронный парамагнитный резонанс РІ солях марганца. Р’ дальнейшем более 20 лет работал РІ Курчатовском Р�нституте Атомной Рнергии.
Завойский внес вклад в различные области ядерной физики, разработав, в частности, в 1952 г. сцинциляторную трековую камеру[4]. В области физики плазмы он открыл в 1958 г. магнито-акустический резонанс. Награжден Ленинской и Государственной премиями. Его достижения стали известными на Западе лишь после окончания Второй мировой войны. Е. К. Завойский скончался в 1976 г.
Сообщения о первых экспериментах по магнитному резонансу были сделаны Блохом и Парселлом в течение одного месяца и независимо друг от друга. В январском выпуске 1946 г. престижного американского журнала Physical Review, Парселл, Торрей и Паунд (г. р. 1919) сообщили в коротком письме редактору (полученному 24 декабря 1945 г.), что они наблюдали поглощение радиочастотной энергии в твердом материале (парафин) в результате переходов, индуцированных между энергетическими уровнями, которые соответствуют различным ориентациям спина протона в постоянном магнитном поле.
В эксперименте образец парафина помещался в резонатор, который, в свою очередь, располагался между полюсами постоянного магнита. Радиочастотная волна с крайне низким уровнем ее магнитного поля, направленного перпендикулярно постоянному полю, посылалась в этот резонатор, и измерялась ее интенсивность на выходе из резонатора. Когда сильное магнитное поле медленно изменялось, наблюдался резкий резонанс поглощения (рис. 37). Поскольку протон имеет спин 1/2, можно предполагать, что при помещении его в постоянное магнитное поле, он может занять только два положения: либо его спин параллелен полю, либо его спин антипараллелен полю. Разность энергий между этими двумя энергетическими уровнями, которые соответствуют этим двум позициям, при той напряженности магнитного поля, которая была в эксперименте, соответствовала частоте 29,8 МГц. На этой частоте и поглощалась микроволновое излучение (см. рис. 37). При комнатной температуре (при которой и выполнялся эксперимент) разность между числом протонов, выстроенных вдоль магнитного поля и выстроенных против него, крайне мала. Однако полное число протонов было столь велико, что заметный эффект получался как только достигалось термическое равновесие. Ключевым вопросом было время, требуемое для установления термического равновесия между спинами и решеткой. Разность в населенностях этих двух уровней является непременным условием для наблюдения поглощения.
Рис. 37. Кривая поглощения протонного резонанса в растворе нитрата железа, полученная методом Парселла
Авторы это очень хорошо понимали и принимали во внимание конкуренцию между процессами поглощения и вынужденного излучения. Действительно, процессы поглощения включают поглощение фотона микроволнового излучения, что заставляет частицу перейти с низшего на высший уровень. Наоборот, процессу вынужденного излучения соответствует испускание фотона, который подобен фотону, индуцирующему этот процесс, и который заставляет частицу перейти с верхнего на нижний уровень. Поэтому, если эти два процесса поглощения излучения и вынужденного излучения происходят в равной степени, то никакого сигнала изменения излучения, проходящего через образец, не получится. По этой причине важно установление термического равновесия, так как при этом нижний энергетический уровень более населен, чем верхний, и, следовательно, процесс поглощения превалирует.
Здесь может помочь статистическая механика. Согласно Больцману, отношение между числом молекул, находящихся на верхнем энергетическом уровне, к числу молекул, находящихся на нижнем, дается экспоненциальной зависимостью. В показателе с отрицательным знаком стоит разность энергий двух состояний, деленная на фактор kT, где k постоянная, веденная Больцманом, а Т абсолютная температура. В нашем случае, разность энергий двух магнитных уровней пропорциональна напряженности приложенного магнитного поля, и, увеличивая поле, можно увеличить эту разность. Однако значения магнитных полей, достигаемых доступной техникой, ограничены. Поэтому разность энергий при комнатной температуре мала и сравнима со значением kT.
Ртот факт означает, что, например, РІ случае РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° Рё разумного значения магнитного поля (7000 Гаусс) отношение населенностей верхнего Рё нижнего уровней составит весьма малую величину. Ртого, тем РЅРµ менее, достаточно, чтобы зарегистрировать сигнал поглощения.
Открытие Парселла можно рассматривать, как естественное следствие попыток, предпринятых в Лаборатории Радиации МIТ для уменьшения длины волны радара до 1,25 см. Получилось так, что эта длина волны попадает в пол осу сильного поглощения водяных паров атмосферы, и это препятствовало работе радара. Парселл уделял большое внимание точным методам измерения полос поглощения и в соответствии с этим назвал свою методику резонансным поглощением ядерного магнитного резонанса.
Р’ следующем выпуске Physical Review, СЃРЅРѕРІР° РІ РІРёРґРµ РїРёСЃСЊРјР° РІ редакцию, появилось короткое сообщение Р¤. Блоха, Р’. Хансена Рё Рњ. Паккарда, полученное 29 января 1946 Рі. Авторы описывали эксперимент РІ определенном отношении подобный эксперименту Парселла, РІ котором РѕРЅРё использовали РІРѕРґСѓ. Р’ РёС… эксперименте РЅР° постоянное магнитное поле, которое прикладывалось РІ РѕРґРЅРѕРј направлении (например, вертикальное), накладывалось малое осциллирующее магнитное поле вдоль горизонтального направления. Магнитные моменты ядер образца, первоначально параллельные постоянному полю, возмущались РІ такой конфигурации малым осциллирующим полем, которое заставляло РёС… прецессировать РІРѕРєСЂСѓРі этого поля. РџСЂРё резонансной частоте это малое поле может инвертировать направление магнитных моментов. Рто, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, могло проявиться РІ эффекте электромагнитной индукции РІ катушке, помещенной РІ соответствующее место. Рто явление, открытое Фарадеем РІ 1822 Рі., заключается РІ том, что изменяемое магнитное поле индуцирует ток РІ электрической цепи.
Рто исследование Блоха мотивировалось стремлением найти методики для точных измерений магнитного поля. Р’ 1946 Рі. Блох также дал теоретическое объяснение эксперимента, введя РґРІР° времени релаксации СЃРїРёРЅРѕРІРѕР№ населенности. РћРґРЅРѕ время описывалось, как достижение быстрого термического равновесия СЃРїРёРЅРѕРІ ядер СЃ СѓРїСЂСѓРіРёРјРё колебаниями материала (СЃРїРёРЅ-решеточная релаксация). Второе время является характеристическим временем, РІ течение которого поперечные компоненты намагничивания релаксируют Рє своему равновесию, С‚.Рµ. Рє нулю.
Парселл Рё Блох впервые встретились РЅР° собрании Американского физического общества РІ Кембридже (Массачусетс) РІ 1946 Рі. РЈ РЅРёС… всегда были самые дружеские отношения. РљРѕРіРґР° РѕР±Р° были награждены Нобелевской премией, Блох послал Парселлу телеграмму: РЇ думаю, что для РРґРґР° Парселла прекрасно разделить потрясение СЃ Феликсом Блохом.
Ядерный магнитный резонанс, первоначально используемый для изучения магнитных свойств вещества, СЃРѕ временем стал важнейшей медицинской техникой. Поскольку РѕРЅ позволяет измерять СЃРґРІРёРі резонансной частоты, получающийся Р·Р° счет локального окружения СЏРґСЂР°, получается мощный метод химического анализа, позволяющий идентифицировать химические соединения Рё изучать РёС… строение. РџСЂРё этом важным применением является медицинская диагностика. Ядерный магнитный резонанс позволяет идентифицировать положение магнитных моментов ядер СЃ помощью характерного спектра поглощения. РЇРґСЂР°, дающие сильные сигналы, имеются, например, РІ РІРѕРґРѕСЂРѕРґРµ, дейтерии, углероде Рё фосфоре. Рти СЏРґСЂР° проявляются РїРѕ РёС… спектрам ядерного магнитного резонанса, Рё СЃ помощью специальной техники можно установить РёС… положение Рё таким образом получать трехмерное изображение.
Первые спектры РІ живых тканях были получены лишь около 20 лет назад. Причина, почему потребовалось так РјРЅРѕРіРѕ времени для разработки этой техники, может быть РІ том, что РІ ядерном магнитном резонансе (РЇРњР ) СЃ переходами связаны очень малые энергии, Рё поэтому, чтобы получить достаточно сильные сигналы, требуются сильные постоянные поля. Рти поля должны быть крайне однородными РІРѕ всей области исследуемого образца, который может иметь большие размеры, например человеческое тело. Р�спользование сверхпроводящих магнитов преодолевает эту трудность. Медицинское применение ЯМРсегодня позволяет получать изображения анатомических частей человеческого тела Рё идентифицировать химические составляющие РІ организме. Рта диагностика уже получила широкое распространение РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… больницах. РћРЅР° РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… случаях заменяет Рё дополняет наряду СЃ ультазвуковой диагностикой (РЈР—Р�) традиционную рентгенографию. Ее преимущества заключаются РІ высокой чувствительности Рё исключении вредности рентгеновских лучей. Р’ 2003 Рі. Нобелевская премия РїРѕ физиологии Рё медицине была присуждена американскому С…РёРјРёРєСѓ Полю Латербуру Рё британскому медику Петеру Мансфилду Р·Р° РёС… вклад РІ визуализацию магнитного резонанса. Р’ 1970-С… РіРі. эти РґРІР° исследователя, независимо РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°, продвинули преобразование технологии РЇРњР РёР· спектроскопических лабораторий РІ клиническую диагностику. Р�дея была РІ том, чтобы пространственные изменения сигналов РІ РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕРј магнитном поле ЯМРспектрометра связать СЃ теми областями, откуда эти сигналы получаются. Действительно, поскольку резонансная частота СЃРїРёРЅР° зависит РѕС‚ силы РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕРіРѕ магнитного поля, то если эта сила различна РІ разных точках, то Рё резонансные частоты РІ разных точках Р±СѓРґСѓС‚ различны. Поэтому знание значения магнитного поля РІ каждой точке позволяет локализовать те СЏРґСЂР°, котоые РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏС‚ сигнал РЇРњР . Р’ 1973 Рі. Латербур опубликовал первое пространственно разрешенное изображение. Р’ 1974-1975 РіРі. Мансфилд СЃРѕ СЃРІРѕРёРјРё коллегами разработал методики быстрого сканирования РІ образцах Рё РІ 1976 Рі. получил первое изображение живого человеческого тела. Нобелевская премия явилась оценкой РёС… вклада РІ разработку полезной клинической методики.
ЯМР-изображения всего человеческого тела появились около 1980 г. По сравнению с первыми расплывчатыми изображениями в настоящее время получаются четкие изображения. Детали можно различать с разрешением в несколько кубических миллиметров, что позволяет исследовать отдельные органы.
Р РёСЃ. 38. (Р°) Ориентация РѕСЃРё симметрии кристалла СЂСѓР±РёРЅР° РїРѕ отношению Рє направлению магнитного поля (СѓРіРѕР» θ). Рнергетические СѓСЂРѕРІРЅРё СЂСѓР±РёРЅР° для θ = 0 (Р±) Рё для θ =90 (РІ)
